铜铝异种金属钎焊工艺研究

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1、杜隆纯1，宋芳芳2，卫国强1，金亮1（1．华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640；2．电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室，广东广州510610）摘要：由于Sn基钎料对硬铝的润湿性差及焊后服役过程钎焊接头耐腐蚀性降低的问题，因此制备高可靠性的大面积、高致密度的铜铝异种金属的钎焊接头是非常困难的。本文研究了铜与硬铝之间的钎焊连接工艺，提出了在硬铝表面化学镀Ni－P的方法，并且采用炉中钎焊来保证钎焊温度的均匀。试验结果表明：采用这一工艺方法可以很好地实现铜与硬铝之间的钎焊连接，所获得的

2、钎缝没有明显的钎焊缺陷；在Ni－P/Sn－5Sb钎料界面形成（Ni，Cu）3Sn4相，而在Cu/Sn－5Sb钎料界面形成扇贝状的Cu6Sn5相。关键词：铝铜钎焊；化学镀Ni－P；Sn－5Sb钎料中图分类号：TG457.1；TG454文献标志码：B0前言随着异种金属连接技术的不断发展，铜铝异种金属接头由于具有优良的力学性能和导电、导热性能，可以应用到很多工业领域，如电气工程、化工、制冷工业［1］。目前，铜铝异种金属焊接主要采用熔焊、压力焊和钎焊。由于铜和铝的熔点相差较大，熔化焊时易形成未熔合和夹杂；同时

3、在界面形成硬脆且电阻极大的金属间化合物［2］。另外，铝的热膨胀系数大而弹性系数小，焊后变形较大，因此采用熔化焊工艺还有待进一步研究。对于铜铝异种金属的压力焊方法主要有冷压焊、摩擦焊、爆炸焊和热压焊。JiahuOuyang等人［3］采用搅拌摩擦焊方法对铜与6061铝合金对接接头的研究表明，焊后的机械混合区的显微硬度偏高，使得直接搅拌摩擦焊焊接铜铝有一定的困难。此外，压焊需要专门的焊接设备，成本较大，并且工艺复杂，局限性大。在铜铝钎焊工艺中，如果直接进行钎焊会存在很多问题，如钎焊温度过高和保温时间过长都会

4、使钎缝中生成脆性相（CuAl2，Cu2Al，Cu3Al2等），使收稿日期：2013-06-04基金项目：电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室开放基金课题（ZHD201207）及重点实验室基金课题钎缝的强度和塑性都降低，甚至会使钎缝中产生晶间腐蚀，同时为去除致密的铝氧化膜，需使用腐蚀性大的钎剂，而钎剂的残渣吸潮后形成腐蚀剂，会导致钎缝严重腐蚀。因此，铜铝异种金属直接钎焊困难较大，并且接头质量也不好［4-6］。为减少铝铜原子的直接接触，避免形成脆性金属间化合物，可以先在铝表面镀一层金属，然后与铜钎

5、焊。由于铜不与铝直接钎焊，这样就可采用腐蚀性小或无腐蚀性钎剂，因而可提高钎焊接头的强度和抗腐蚀性。杭春进等［7］设计在铝表面电镀Ni－Sn，从而改善直接铜铝钎焊的不利影响。本试验采用化学镀的方法，在硬铝表面镀一层Ni－P合金，镀层合金与钎料反应，从而消除铝铜直接钎焊时的不利影响。采用无铅Sn－5Sb合金作为钎料，该合金钎料的熔点为245℃，Sn－5Sb钎料可以为钎焊接头提供良好的强度和导热性能［8-9］。通过金相分析、扫描电镜分析和X射线无损检测等方法，证实了该工艺方法是可行的。1试验1．1试验材料待

6、焊铝件的牌号为2A12（LY12），铜件为纯铜（w（Cu）＞99．95％）。将铝件待焊部位预磨抛光，然后进行化学镀Ni－P薄膜，经扫描电镜（SEM）测定，38·工艺与新技术·焊接技术第43卷第1期2014年1月分数）。将铜件的待钎焊部位用砂纸打磨，然后分别在φ（HCl）5％溶液、去离子水、无水乙醇中浸泡并吹干。试验所用钎料为成分是Sn－5Sb（质量分数）的片状钎料（厚度为0．15mm），将其裁剪成与钎缝尺寸相同的焊片，钎剂采用ZnCl2－NH4Cl系钎剂和松香型（中活性）钎剂。1．2试样装配图1为试

7、验模型装配示意图，铝件的尺寸为70mm×50mm×25mm，铜件圆柱体底圆直径为15mm，高为70mm。把焊片（70mm×48mm）放入铝件待钎焊部位（圆弧处），保证和铝件良好接触。在装配的焊片处和铜件的待钎焊处涂上钎剂，然后把铜件压入铝件，并在工件的两端面待钎焊处补充涂覆钎剂。X射线探伤结果，在图中白色的位置表示有可能出现缺陷的地方。从图2和图3可看出，在钎缝半圆弧两边，没有白点出现，说明在两边的投影位置不存在缺陷。但是在铜件上出现了一些规则的纵平行线，并且在纵平行线位置，局部出现了少量的白点。纵

8、平行线可以理解为在铜件内部开了规则的槽口（图1中未标出），这是产生纵平行线的原因。而在纵平行线的位置出现的局部的白点可以认为是槽口的影响所致，并不表示钎缝存在缺陷。因为它们都是规则分布的，如出现钎焊缺陷，它应是不规则的、并且是随机出现的。因此，可以初步判定它们不是钎焊缺陷，而是试样的加工槽口不均匀所致。yx1．3钎焊工艺2A12CuNi-P钎料图1试验模型装配示意图图2有机钎剂钎缝X射线探伤结果图3无机钎剂钎缝X射线探伤结果把装配好的试样放入炉温为3